Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловые и холодильные машины

Тепловые и холодильные машины

Лекция 13

Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса

Внутренняя энергия ванн-дер-ваальсовского газа

.

суммарная кинетическая энергия молекул в Ц-системе, связанной с сосудом;

– суммарная энергия взаимодействия молекул (собственная потенциальная энергия).

Если газ расширяется в пустоту без теплообмена с окружающими телами, то , и согласно первому началу термодинамики в этом процессе U = = const. Получается, что с ростом объёма температура реального газа уменьшается (в отличие от идеального газа).

Тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, газовые турбины и др.) предназначены для получения полезной работы за счёт теплоты, выделяемой вследствие сгорания топлива, ядерных превращений, нагрева солнечными лучами или по другим причинам. Ниже приведена условная схема тепловой машины (а) и её термодинамический цикл (б).

В качестве холодильника часто выступает окружающая среда. В космических энергоустановках окружающая среда отсутствует и необходим специальный холодильник-излучатель.

Наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Вычисляемая по первому началу термодинамики величина QXявляется отрицательной т.к. это количество теплоты поступает не к рабочему телу, а от него к холодильнику.

В соответствии с первым началом внутренняя энергия за цикл (круговой процесс) не изменяется. Совершённая рабочим телом механическая работа равна разности подведённой и отведённой теплоты:

.

Тепловой коэффициент полезного действия (КПД) цикла любой тепловой машины можно рассчитать как отношение полезной работы к количеству теплоты, переданной рабочему телу от нагревателя:

.

Термодинамический цикл, осуществляемый в обратном направлении . может быть использован для работы холодильной машины.

В холодильной машине внешние тела совершают работу А * над рабочим телом и происходит отвод теплоты QОХЛ от охлаждаемого тела и передача теплоты QТР (величина отрицательная)тепловому резервуару, в качестве которого обычно выступает окружающая среда.

Холодильный коэффициент холодильной машины определяют как отношение отведённого от охлаждаемого тела количества теплоты к затраченной для этого механической работе А * :

.

Холодильный коэффициент холодильной машины в отличие от КПД тепловой машины может быть как больше, так и меньше единицы.

Холодильная машина может использоваться не только для охлаждения различных предметов, но и как тепловой насос для отопления помещений. В этом случае тепловым резервуаром является обогреваемое помещение, а теплота QОХЛотводится из менее нагретой окружающей среды. Термодинамические циклы холодильной машины и теплового насоса совпадают.

КПД теплового насоса определяют как отношение полученного нагреваемым помещением количества теплоты к затраченной для этого механической работе:

.

Видно, что КПД теплового насоса обязательно должен быть больше единицы.

Преимущество теплового насоса по сравнению с обычным электрическим нагревателем заключается в том, что на нагрев помещений используется не только преобразованная в теплоту электроэнергия, но и теплота, отобранная от окружающей среды.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

8 1Й курс. 2й семестр. Лекция 13

Тепловые и холодильные машины. Второе начало термодинамики. Цикл Карно. Теорема Карно. Термодинамическая шкала температур. Неравенство Клаузиуса. Термодинамическая энтропия. Закон возрастания энтропии. Третье начало термодинамики.

Тепловые машины или тепловые двигатели, предназначены для получения полезной работы за счет теплоты, выделяемой вследствие химических реакций (сгорания топлива), ядерных превращений или по другим причинам. Для функционирования тепловой машины обязательно необходимы следующие составляющие: нагреватель, холодильник и рабочее тело.

Х олодильником может являться, например, окружающая среда.

В дальнейшем будет применяться понятие термостата, под которым подразумевается тело, находящееся при постоянной температуре и обладающее бесконечной теплоёмкостью – любые процессы получения или отдачи теплоты не меняют температуру этого тела.

Циклический (круговой) термодинамический процесс.

Рассмотрим циклический процесс, в котором нагреватель передает рабочему телу теплоту QН. Рабочее тело совершает работу и затем отдаёт тепло холодильнику QХ.

Замечание. Наличие штриха означает. что берётся абсолютное значение указанной величины, т.е. QХ = QХ.

Такой круговой процесс называется прямым. В прямом процессе теплота забирается у более нагретого тела и после совершения системой работы над внешними телами остаток теплоты отдаётся менее нагретому телу. Тепловые машины работают по прямому циклу.

Процесс, в котором теплота забирается у менее нагретого тела и отдаётся более нагретому телу в результате совершения работы над системой внешними телами, называется обратным. По обратному циклу работают холодильные машины.

Теплота, полученная системой, считается положительной QН > 0, а отданная – отрицательной QХ – теплота, полученная холодильником, то можно записать:

Внутренняя энергия – это функция состояния, поэтому при круговом (циклическом) процессе, когда система возвращается в исходное состояние, внутренняя энергия не изменяется. Из первого начала термодинамики следует:

Читать еще:  Где теряется давление масла в двигателе

.

Но так как , то

так как , .

Коэффициент полезного действия (термический кпд) прямого цикла:

определяется для циклических (повторяемых) процессов. (Для нециклического процесса подобное отношение называется полезным выходом.)

Замечание. Передача теплоты холодильнику является обязательной для циклического процесса. Иначе рабочее тело придёт в тепловое равновесие с нагревателем, и передача теплоты от нагревателя будет невозможной. Поэтому КПД любой тепловой машины всегда меньше единицы:

.

В холодильной машине внешние тела совершают работу Авнеш по отводу теплоты Q2 от охлаждаемого тела и передаче теплоты Q1 тепловому резервуару (обычно – это окружающая среда). КПД холодильной машины или холодильный коэффициент – это отношение отведённого количества теплоты к затраченной работе:

.

Вообще говоря, этот коэффициент может быть как меньше единицы, так и больше единицы – всё зависит от работы внешних тел.

Тепловой насос — устройство, «перекачивающее» теплоту от холодных тел к нагретым и предназначенное, например, для обогрева помещения. При этом теплота отбирается у окружающей среды, имеющей меньшую температуру, и воздуху в помещении отдаётся теплота . Тепловой насос работает по обратному тепловому циклу. (Этот принцип обогрева называется динамическим отоплением). КПД теплового насоса равен отношению теплоты, переданной помещению, к затраченной работе:

.

Так как теплота, отводимая от окружающей среды больше нуля, то КПД теплового насоса больше единицы. Но для КПД этого же прямого цикла , , поэтому

,

т.е. КПД теплового насоса равен обратной величине КПД прямого цикла.

Тест. Тепловые двигатели

Список вопросов теста

Вопрос 1

Тепловыми двигателями называют машины, в которых…

Варианты ответов
  • внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
  • тепло окружающей среды превращается в механическую энергию
  • механическая энергия превращается в энергию топлива
  • внутренняя энергия топлива превращается в тепловую окружающей среды
Вопрос 2

Тепловой двигатель состоит…

Варианты ответов
  • из нагревателя и холодильника
  • из нагревателя, рабочего тела и холодильника
  • из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска
  • и зажигания и рабочего хода
Вопрос 3

К тепловым двигателям не относится…

Варианты ответов
  • ядерный ускоритель
  • реактивный двигатель
  • паровая турбина
  • двигатель внутреннего сгорания
Вопрос 4

В тепловом двигателе холодильник…

Варианты ответов
  • отдает всю энергию нагревателю
  • получает часть энергии, переданной нагревателем рабочему телу
  • получает часть энергии нагревателя и предает всю ее рабочему телу
  • получает всю энергию, переданную нагревателем, и передает часть ее рабочему телу
Вопрос 5

КПД теплового двигателя равен отношению…

Варианты ответов
  • полезной работы к энергии, полученной от нагревателя
  • полезной работы к постоянной теплового двигателя
  • энергии, полученной от нагревателя, к полезной работе
  • затраченной работы к энергии, полученной от нагревателя
Вопрос 6

В тепловом двигателе нагреватель…

Варианты ответов
  • отдает часть энергии рабочему телу, часть энергии холодильнику
  • получает всю энергию от рабочего тела
  • получает часть энергии рабочего тела
  • отдает всю энергию холодильнику
Вопрос 7

Атмосферный воздух часто играет в тепловом двигателе роль

Варианты ответов
  • холодильник
  • нагреватель
  • рабочее тело
Вопрос 8

Цикл двигателя внутреннего сгорания состоит из…

Варианты ответов
  • впуска, выпуска
  • нагревания, рабочего хода
  • впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска
  • впуска, нагревания, рабочего хода, выпуска
Вопрос 9

Тепловой двигатель получает от нагревателя количество теплоты 2, 5 кДж и отдает холодильнику количество теплоты 0,5 кДж. Определите КПД данного теплового двигателя.

Вопрос 10

По каким формулам находят коэффициент полезного действия теплового двигателя?

Варианты ответов
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
Вопрос 11

Температура нагреваля идеальной тепловой машины Карно 700К, а температура холодильника 420К. Каков КПД идеальной тепловой машины?

Вопрос 12

За 1 цикл работы теплового двигатнля рабочее тело получило от нагреватял 800 Дж и отдало холодильнику 600 Дж количества теплоты. Какую работу совершил двигатель за цикл

Вопрос 13

Температуру нагревателя и холодильника теплового двигателя повысили на одинаковое число градусов. Как изменился при этом КПД двигателя?

Варианты ответов
  • уменьшится
  • увеличится
  • останется неизменным
Вопрос 14

В идеальном тепловом двигателе увеличилась работа, совершаемая газом за один цикл, при неизменном количестве теплоты, поступающем от нагревателя. Как при этом изменяется коэффициент полезного действия цикла, количество теплоты, отдаваемое за один цикл холодильнику и температура нагревателя? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения.

Зачем нужен холодильник в тепловом двигателе

Зачем в тепловом двигателе нужен холодильник

Лучший ответ:

Для совершения работы теплового двигателя необходима разность давлений по сторонам поршня. Для этого повышается температура рабочего тела на сотни градусов по отношению к температуре окружающей среды.
Рабочее тело — это газ, который совершает работу при расширении.
Холодильник необходим для охлаждения газа перед сжатием, т.к. работа на сжатие должна быть меньше.

Читать еще:  Что такое сапун в двигателе ямз 238
Другие вопросы:

Определите pH растворов, в которых А) (H )=10^-10 моль/л. Б) (OH-)=10^-2 моль/л.

(х-1,5)=4,(3-х)=5,(2х-3)=0,(6-5х)=0 помогите решить эти уровнения

Читайте также:

  1. Бытовые электронные машины
  2. Динамическая модель машины
  3. Зап дет дан вида,необх для ремонта 1 машины,Нр-Нрасх ЗД на 1 машину, К-кол-во ед обор-ния дан вида
  4. И сидели люди в машинах, И машины сидели в людях, Потому что сплошные пробки На Дорогах Жизни без Света.
  5. ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ БАЗОВОЙ МАШИНЫ
  6. Индекс в обозначении заключительного состояния машины Тьюринга .
  7. Испытание на тепловые потери.
  8. Катя выскочила из машины и побежала без оглядки к дому.
  9. Кибермашины в шпионаже и на полицейской службе
  10. Конденсационные тепловые электростанции
  11. Коэффициент полезного действия тепловой машины
  12. Машины для внесения удобрений

Лекция 13

Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса

Внутренняя энергия ванн-дер-ваальсовского газа

.

суммарная кинетическая энергия молекул в Ц-системе, связанной с сосудом;

– суммарная энергия взаимодействия молекул (собственная потенциальная энергия).

Если газ расширяется в пустоту без теплообмена с окружающими телами, то , и согласно первому началу термодинамики в этом процессе U = = const. Получается, что с ростом объёма температура реального газа уменьшается (в отличие от идеального газа).

Тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, газовые турбины и др.) предназначены для получения полезной работы за счёт теплоты, выделяемой вследствие сгорания топлива, ядерных превращений, нагрева солнечными лучами или по другим причинам. Ниже приведена условная схема тепловой машины (а) и её термодинамический цикл (б).

В качестве холодильника часто выступает окружающая среда. В космических энергоустановках окружающая среда отсутствует и необходим специальный холодильник-излучатель.

Наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Вычисляемая по первому началу термодинамики величина QXявляется отрицательной т.к. это количество теплоты поступает не к рабочему телу, а от него к холодильнику.

В соответствии с первым началом внутренняя энергия за цикл (круговой процесс) не изменяется. Совершённая рабочим телом механическая работа равна разности подведённой и отведённой теплоты:

.

Тепловой коэффициент полезного действия (КПД) цикла любой тепловой машины можно рассчитать как отношение полезной работы к количеству теплоты, переданной рабочему телу от нагревателя:

.

Термодинамический цикл, осуществляемый в обратном направлении . может быть использован для работы холодильной машины.

В холодильной машине внешние тела совершают работу А * над рабочим телом и происходит отвод теплоты QОХЛ от охлаждаемого тела и передача теплоты QТР (величина отрицательная)тепловому резервуару, в качестве которого обычно выступает окружающая среда.

Холодильный коэффициент холодильной машины определяют как отношение отведённого от охлаждаемого тела количества теплоты к затраченной для этого механической работе А * :

.

Холодильный коэффициент холодильной машины в отличие от КПД тепловой машины может быть как больше, так и меньше единицы.

Холодильная машина может использоваться не только для охлаждения различных предметов, но и как тепловой насос для отопления помещений. В этом случае тепловым резервуаром является обогреваемое помещение, а теплота QОХЛотводится из менее нагретой окружающей среды. Термодинамические циклы холодильной машины и теплового насоса совпадают.

КПД теплового насоса определяют как отношение полученного нагреваемым помещением количества теплоты к затраченной для этого механической работе:

.

Видно, что КПД теплового насоса обязательно должен быть больше единицы.

Преимущество теплового насоса по сравнению с обычным электрическим нагревателем заключается в том, что на нагрев помещений используется не только преобразованная в теплоту электроэнергия, но и теплота, отобранная от окружающей среды.

Дата добавления: 2015-05-09 ; Просмотров: 3682 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Термодинамика возникла как наука с основной задачей – созданием наиболее эффективных тепловых машин.

Тепловая машина или тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получения теплоты.

Обычно совершение работы в тепловом двигателе производится газом при его расширении. Газ, находящийся в нем, получил название рабочего тела. Зачастую его заменяют на воздух или водяные пары. Расширение газа происходит по причине повышения его температуры и давления.

Устройство, от которого рабочее тело получает тепло Q n , называю нагревателем.

Это понимается как расширение от объема V 1 к V 2 V 2 > V 1 , затем сжатие до первоначального объема. Чтобы значение совершаемой работы за цикл было больше нуля, необходимо температуру и давление увеличить и сделать больше, чем при его сжатии. То есть при расширении телу сообщается определенное количество теплоты, а при сжатии отнимается. Значит, кроме нагревателя тепловой двигатель должен иметь холодильник, которому рабочее тело может отдавать тепло.

Рабочее тело совершает работу циклично. Очевидно, изменение внутренней энергии газа в двигателе равняется нулю. Если при расширении от нагревателя к рабочему телу передается теплота в количестве Q n , то при сжатии Q ‘ c h теплота рабочего тела передается холодильнику по первому закону термодинамики, учитывая, что ∆ U = 0 , то значение работы газа в круговом процессе запишется как:

Читать еще:  Что ограничивает обороты в двигателе

A = Q n — Q ‘ c h ( 1 ) .

Отсюда теплота Q ‘ c h ≠ 0 . Выгодность двигателя определяется по количеству выделенной и превращенной теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Его эффективность характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), определяющимся как:

Запись уравнения ( 2 ) при учитывании ( 1 ) примет вид:

η = Q n — Q ‘ c h Q n ( 3 ) , КПД всегда.

Машина, отбирающая от тела с меньшей температурой определенное количество теплоты Q c h и отдающая его Q ‘ n телу с наиболее высокой температурой с Q ‘ n > Q c h , получила название холодильной машины.

Данная машина должна совершить работу A ‘ в течение цикла. Эффективность холодильной машины определяется по холодильному коэффициенту, вычисляемому:

a = Q ‘ n A ‘ = Q ‘ n Q ‘ n — Q c h ( 4 ) .

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем работающего по обратимому циклу.

КПД теплового двигателя

Французским инженером Саади Карно была установлена зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя T n и холодильника T c h . Форма конструкции теплового двигателя и выбор рабочего тела не влияет на КПД идеальной тепловой машины:

η m a x = T n — T c h T n ( 5 ) .

Любой реальный тепловой двигатель может обладать КПД η ≤ η m a x .

Принцип работы теплового двигателя

Идеальная машина, модель которой разработал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм ( 1 — 2 , 4 — 3 ) и двух адиабат ( 2 — 3 , 4 — 1 ) , изображенная на рисунке 1 . В качестве рабочего тела выбран идеальный газ. Прохождение адиабатного процесса происходит без подвода и отвода тепла.

Участок 1 — 2 характеризуется сообщением рабочему телу от нагревателя с температурой T n количества тепла Q n . При изотермическом процессе запись примет вид:

Q n = T n ( S 2 — S 1 ) ( 6 ) , где S 1 , S 2 являются энтропиями в соответствующих точках цикла из рисунка 1 .

Видно, что участок 3 — 4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой T c h идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты — Q c h , тогда:

— Q c h = T c h ( S 1 — S 2 ) ( 7 ) .

Выражение, записанное в скобках в ( 7 ) , указывает на приращение энтропии процесса 3 — 4 .

Принцип действия тепловых двигателей КПД

Произведем подстановку ( 6 ) , ( 7 ) в определение КПД теплового двигателя и получаем:

η = T n ( S 2 — S 1 ) + T c h ( S 1 — S 2 ) T n ( S 2 — S 1 ) = T n — T c h T n ( 8 ) .

В выведенном выражении ( 8 ) не выполнялось предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.

По уравнению ( 8 ) видно, что для увеличения КПД следует повышать T n и понижать T c h . Достижение значения абсолютного нуля невозможно, поэтому единственное решение для роста КПД – увеличение T n .

Задача по созданию теплового двигателя, совершающего работу без холодильника, очень интересна. В физике она получила название вечного двигателя второго рода. Такая задача не находится в противоречии с первым законом термодинамики. Данная проблема считается неразрешимой, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике приняли в качестве постулата – второго начала термодинамики.

Рассчитать КПД теплового двигателя с температурой нагревания 100 ° С и температурой холодильника, равной 0 ° С . Считать тепловую машину идеальной.

Необходимо применение выражения для КПД теплового двигателя, которое записывается как:

η = T n — T c h T n .

Используя систему С И , получим:

T n + 100 ° C + 273 = 373 ( К ) . T c h = 0 ° C + 273 = 273 ( К ) .

Подставляем числовые значения и вычисляем:

η = 373 — 273 373 = 0 , 27 = 27 % .

Ответ: КПД теплового двигателя равняется 27 % .

Найти КПД цикла, представленного на рисунке 2 , если в его пределах объем идеального газа проходит изменения n раз. Считать рабочим веществом газ с показателем адиабаты γ .

Основная формула для вычисления КПД, необходимая для решения данной задачи:

η = Q n — Q ‘ n Q n ( 2 . 1 ) .

Получения тепла газом происходит во время процесса 1 — 2 Q 12 = Q n :

Q 12 = ∆ U 12 + A 12 ( 2 . 2 ) , где A 12 = 0 потому как является изохорным процессом. Отсюда следует:

Q 12 = ∆ U 12 = i 2 R T 2 — T 1 ( 2 . 3 ) .

Процесс, когда газ отдает тепло, обозначается как 3 — 4 , считается изохорным — Q 34 = Q ‘ c h . Формула примет вид:

Q 34 = ∆ U 34 = i 2 v R T 4 — T 3 ( 2 . 4 ) .

Адиабатные процессы проходят без подвода и отвода тепла.

Произведем подстановку полученных количеств теплоты в выражение для КПД, тогда:

η = i 2 v R T 2 — T 1 + i 2 v R T 4 — T 3 i 2 v R T 2 — T 1 = T 2 — T 1 + T 4 — T 3 T 2 — T 1 = 1 — T 3 — T 4 T 2 — T 1 ( 2 . 5 ) .

Следует применить уравнение для адиабаты процессу 2 — 3 :

T 2 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 2 = T 3 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 3 n γ — 1 ( 2 . 6 ) .

Используем выражение для адиабаты процесса 4 — 1 :

T 1 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 1 = T 4 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 4 n γ — 1 ( 2 . 7 ) .

Перейдем к нахождению разности температур T 2 — T 1 :

T 2 — T 1 = T 3 — T 4 n Г — 1 ( 2 . 8 ) .

Произведем подстановку из ( 2 . 8 ) в ( 2 . 5 ) :

η = 1 — T 3 — T 4 T 3 — T 4 n γ — 1 = 1 — 1 n γ — 1 = 1 — n 1 — γ ( 2 . 9 ) .

Ответ: КПД цикла равняется η = 1 — n 1 — Г .

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector